JP2008304444A - テラヘルツ周波数における全反射減衰分光測定法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 テラヘルツ電磁波が全反射するプリズムと試料界面の近傍に存在する試料のスペクトル測定が可能であり、またテラヘルツ領域における試料の複素屈折率を測定することも可能であるテラヘルツ分光手法および装置を提供すること。
【解決手段】 テラヘルツ周波数における全反射減衰分光測定法及び装置は、テラヘルツ電磁波が全反射する際に生じるテラヘルツ周波数を有する表面波（エバネッセント波）を利用する。装置はポンプビーム及び信号ビームの２つの励起レーザをテラヘルツ電磁波発生用光学結晶へ入射しテラヘルツ電磁波を発生するテラヘルツ電磁波光源部と、テラヘルツ電磁波を入射してエバネッセント波を発生するためのプリズムとを有する構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明はテラヘルツ周波数において分光測定を行う手法及び装置に関する。

テラヘルツ電磁波のエネルギーは分子内あるいは分子間における弱いエネルギー、つまり低振動数モードのエネルギーに相当する。その振動はＤＮＡ２重らせん構造に見られるように生体分子の機能発現において重要な働きを担っている水素結合に起因する振動モードを含む。テラヘルツ電磁波を利用して生体関連物質の分光測定を行い、このような弱い相互作用を直接測定することは、生体分子の機能や構造を理解する上で有益である。

生体関連分子は生体内のような水分の非常に多い環境下で水分子に囲まれることによりその機能が発現する。水の存在しない環境下ではその機能を発現するための構造を維持できない。したがって生体分子の機能や構造に関する情報を直接得るためには水分を多量に含む試料についてテラヘルツ周波数における測定を行う必要がある。さらに生体分子や水の物性について議論するためにはその物質の測定において複素屈折率を求められることが望ましい。

しかし、テラヘルツ領域において水は大きな吸収係数を有するため、透過法によりスペクトルを得るためには極薄い液体セルが必要となるため、粘度の高い物質等の測定は困難である。また透過スペクトルから試料の複素屈折率を得るためには試料界面での反射光、試料内での干渉光を考慮し、さらに試料厚さの精密測定を行う必要があり見積もることは困難である。外部反射法によって得られたスペクトルからクラマース・クローニッヒ変換（Ｋ−Ｋ変換）を利用することで複素屈折率を求めることもできる。しかし正確にＫ−Ｋ変換を行なうには無限波長域での積分が必要であり、通常の変換では何らかの近似を用いる。そのため外部反射スペクトルから求めた複素屈折率には誤差が生じてしまう。

本発明は、極薄い液体セルを用意せず大きな吸収を有する試料のテラヘルツスペクトル測定を可能とし、かつ上で述べた問題を回避して正確な複素屈折率測定が可能なテラヘルツ領域における分光測定手法及び装置を提供する。

請求項１に記載のテラヘルツ分光測定装置は、テラヘルツ電磁波光源部とそこから発するテラヘルツ電磁波をプリズムと試料界面において全反射させることによりテラヘルツ周波数を有する表面波（エバネッセント波）を発生するための構造を有していることを特徴とする。この光源は差周波混合に基づくフォノン励起によりテラヘルツ電磁波を発生する方法であり、プリズム部へ入射されるテラヘルツ電磁波は単色コヒーレントである。ポンプビームあるいは信号ビームの波長を挿引することで各周波数における試料のスペクトル測定が可能になる。

上記の構成によりプリズムと試料の界面にテラヘルツ周波数を有するエバネッセント波が発生する。エバネッセント波の影響範囲は界面から入射波長程度の距離に及ぶ。エバネッセント波の影響する場に存在する試料のみのスペクトルが測定されるため、水をはじめとするテラヘルツ帯で大きな吸収を有する試料の分光測定において、透過法のように極薄い厚みの液体セルを必要としない。また微量の試料で測定が可能である。

請求項２に記載のテラヘルツ分光測定装置におけるテラヘルツ電磁波発生用光学結晶はＧａＰ結晶であり、合成された２つのビーム間にわずかに角度を設けることで位相整合を満たしテラヘルツ電磁波を発生する。

請求項４に記載の発明では、ダブルビーム法によるスペクトル測定が可能であり、シングルビーム法でのスペクトル測定と比較しノイズの少ないスペクトル測定が可能である。

請求項５における発明では、プリズムと試料界面に対するテラヘルツ電磁波の入射角を任意に設定することができる。入射角条件の異なる２つのスペクトルを測定し、フレネルの式における連立方程式を解くことにより試料の複素屈折率を得ることができる。

請求項６に記載の発明では、プリズムとして半円柱型もしくは半球型のシリコンあるいはポリエチレンを使用する。シリコンやポリエチレンはテラヘルツ電磁波に対して吸収が小さいため、テラヘルツ電磁波の損失が少なく雑音の小さい分光測定が期待できる。

以上のように本発明によれば、テラヘルツ電磁波光源とエバネッセント波を発生する光学系を備えることにより、スペクトル測定および複素屈折率測定が可能になる。透過法で必要であった極薄い厚みを有する液体セルは必要としない。また各周波数において入射角条件の異なるスペクトルから試料の複素屈折率を求めるため、透過法や外部反射法での制約を受けることなく複素屈折率を求めることが可能である。

以下、本テラヘルツ分光測定装置における実施形態を述べる。図１は、本テラヘルツ分光測定装置における一つの構成例を示す図である。このテラヘルツ分光測定装置はＮｄ：ＹＡＧレーザ１と、ポンプビームと信号ビームに相当するＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ レーザ２、３と、平面ミラー４、１１、１３、１８と、回転ステージ５、７、１２、１７と、ビームスプリッタ６と、電磁波発生用光学結晶８と、非軸放物面鏡９、１４、１６と、Ｘ軸移動ステージ１０と、プリズム１５を有する。

Ｎｄ：ＹＡＧレーザ１は出力を２チャンネル有し、２台のＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ レーザ２、３を励起するために使用する。
ビームスプリッタ６はＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ レーザ２、３の２つのビームを合成するために使用する。さらにビームスプリッタ６は回転ステージ５上に設置されており、回転ステージ５を回転することにより合成された２つのビーム間にわずかに角度を設ける。

電磁波発生用光学結晶８は回転ステージ７上に設置されている。電磁波発生用光学結晶８を回転することで電磁波発生用光学結晶端面において出射するテラヘルツ電磁波の反射を低減することが可能となる。

平面ミラー１１はＸ軸移動ステージ１０上に設置されている。発生させる周波数に適した位置に平面ミラー１１を移動させることで、各周波数におけるテラヘルツ電磁波の出射方向を常に一定の方向に保つ。

平面ミラー１３は回転ステージ１２上に、平面ミラー１８は回転ステージ１７上に設置されている。回転ステージ１２と１７は一方を回転すると他方も同時に回転し、その回転方向が互いに逆方向となる機構を有している。この機構によりテラヘルツ電磁波２１がプリズム１５と測定試料１９の界面に入射する角度２０を任意の値に設定することが可能となる。

本分光測定は電磁波の全反射を利用するため、プリズム１５の屈折率実部をｎ１、試料１９の屈折率実部をｎ２とすると、ｎ１、ｎ２および入射角２０は以下の条件（１）、（２）を満たすように構成される。
ｎ１＞ｎ２ ・・・（１）
入射角２０≧ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１）・・・（２）

以上のような構成にすると、テラヘルツ電磁波２１がプリズム１５と測定試料１９の界面で全反射し、その際にエバネッセント波が発生する。テラヘルツ電磁波が全反射するプリズムと試料界面から入射波長程度の距離に及ぶエバネッセント波の影響範囲に存在する測定試料１９がテラヘルツ電磁波２１と同じ周波数に吸収を有する場合、エバネッセント波が吸収され、全反射するテラヘルツ電磁波２２のエネルギーは測定試料１９が存在しない場合に比べ減衰する。そのためＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ レーザ２または３の波長を挿引し、テラヘルツ電磁波２１の周波数を変化させることにより測定試料１９のスペクトル測定を行うことができる。

さらに回転ステージ１２および１７を回転して２つの異なる入射角条件におけるスペクトルを測定し、その２つのスペクトルに対するフレネル反射の式の連立方程式を解くことにより測定試料１９の複素屈折率を得ることができる。

実施例２のテラヘルツ分光測定装置では、実施例１におけるテラヘルツ分光測定装置の平面ミラー１１と１３間のテラヘルツ電磁波伝播光路にテラヘルツ電磁波の約半分を透過もう半分を反射するハーフミラー２３を有する。ハーフミラー２３によりテラヘルツ電磁波発生用光学結晶８から発生したテラヘルツ電磁波はプリズムへ入射するテラヘルツ電磁波２１と参照光用テラヘルツ電磁波２４に分割される。参照光の強度変化を測定した試料のスペクトルから除くことにより、実施例１の装置で得られるスペクトルと比較し、ノイズの少ないスペクトルを得ることが可能になる。

実施例１の構成を示す図である。 実施例１の構成においてプリズム部を拡大して示す図である。 実施例２の構成を示す図である。

符号の説明

１…ダブルパルスＹＡＧレーザ
２、３…Ｃｒ：Ｆｏｒｓｔｅｒｉｔｅ レーザ
４、１１、１３、１８…ミラー
５、７、１２、１７…回転ステージ
６…ビームスプリッタ
８…電磁波発生用光学結晶
９、１４、１６…非軸放物面鏡
１０…Ｘ軸ステージ
１５…プリズム
１９…測定試料
２０…入射角度
２１…プリズムへ入射するテラヘルツ電磁波
２２…プリズムと試料の界面で全反射されたテラヘルツ電磁波
２３…ハーフミラー
２４…参照光用テラヘルツ電磁波

Claims (7)

1. 差周波発生に基づくフォノン励起による単色コヒーレントテラヘルツ光源を用い，その光源から発生するテラヘルツ電磁波によりエバネッセント波を発生させ分光測定を行うテラヘルツ周波数における全反射減衰分光測定法。
2. 請求項１に記載の測定方法に基づき，ポンプビーム及び信号ビームに相当する２つの近赤外ビームと、その２つのビーム間にわずかな角度を設けて合成し、電磁波発生用光学結晶へ入射することでテラヘルツ電磁波を発生する光学系と、その電磁波発生用光学結晶を回転させる手段と、発生したテラヘルツ電磁波を一定の方向へ出射するための光学系と、テラヘルツ電磁波を全反射する角度でプリズムへ入射させることによりエバネッセント波が発生する機構を有することを特徴とするテラヘルツ周波数における全反射減衰分光測定法及び装置。
3. 請求項２に記載のテラヘルツ電磁波発生用光学結晶がＧａＰ結晶であることを特徴とするテラヘルツ周波数における全反射減衰分光測定法及び装置。
4. 請求項２または請求項３に記載のポンプビーム及び信号ビームがＣｒ：Ｆｏｒｓｔｅｌｉｔｅレーザもしくは半導体レーザであることを特徴とするテラヘルツ周波数における全反射減衰分光測定法及び装置。
5. 請求項２から請求項４のいずれかに記載のテラヘルツ分光測定装置において、発生したテラヘルツ電磁波をプリズムへ入射する電磁波と参照光の２つに分割する光学系をさらに有することを特徴とするテラヘルツ周波数における全反射減衰分光測定法及び装置。
6. 請求項２から請求項５のいずれかに記載のテラヘルツ分光測定装置において、テラヘルツ波を集光し任意の入射角でプリズムへ入射するための光学系をさらに有し、かつプリズムが半円柱型もしくは半球型であることを特徴とするテラヘルツ周波数における全反射減衰分光測定法及び装置。
7. 請求項２から請求項６のいずれかに記載のテラヘルツ分光測定装置において、テラヘルツ電磁波を入射してエバネッセント波を発生するプリズムがシリコンもしくはポリエチレンといったテラヘルツ電磁波に対して吸収が小さい材質であることを特徴とするテラヘルツ周波数における全反射減衰分光測定法及び装置。

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